iOS离屏渲染之优化分析

在进行iOS的应用开发过程中，有时候会出现卡顿的问题，虽然iOS设备的性能越来越高，但是卡顿的问题还是有可能会出现，而离屏渲染是造成卡顿的原因之一。因此，本文主要分析一下离屏渲染产生的原因及避免的方法，最后介绍一下Xcode自带的分析离屏渲染的工具Instruments的使用。

UIView和CALayer关系

UIView继承自UIResponder，可以处理系统传递过来的事件，如：UIApplication、UIViewController、UIView，以及所有从UIView派生出来的UIKit类。每个UIView内部都有一个CALayer提供内容的绘制和显示，并且作为内部RootLayer的代理视图。

CALayer继承自NSObject类，负责显示UIView提供的内容contents。CALayer有三个视觉元素：背景色、内容和边框，其中，内容的本质是一个CGImage。

下图为CALayer的结构图：

界面渲染过程

RunLoop有一个60fps的回调，即每16.7ms绘制一次屏幕，所以view的绘制必须在这个时间内完成，view内容的绘制是CPU的工作，然后把绘制的内容交给GPU渲染，包括多个View的拼接（Compositing）、纹理的渲染(Texture)等等，最后显示在屏幕上。但是，如果无法是16.7ms内完成绘制，就会出现丢帧的问题，一般情况下，如果帧率保证在30fps以上，界面卡顿效果不明显，那么就需要在33.4ms内完成View的绘制，而低于这个帧率，就会产生卡顿的效果，影响体验。

渲染的过程如下：

UIView的layer层有一个content，指向一块缓存，即backing store
UIView绘制时，会调用drawRect方法，通过context将数据写入backing store
在backing store写完后，通过render server交给GPU去渲染，将backing store中的bitmap数据显示在屏幕上

离屏渲染

在使用圆角、阴影和遮罩等视图功能的时候，图层属性的混合体被指定为在未预合成之前不能直接在屏幕中绘制，所有就需要在屏幕外的上下文中渲染，即离屏渲染。

离屏渲染卡顿原因

离屏渲染之所以会特别消耗性能，是因为要创建一个屏幕外的缓冲区，然后从当屏缓冲区切换到屏幕外的缓冲区，然后再完成渲染；其中，创建缓冲区和切换上下文最消耗性能，而绘制其实不是性能损耗的主要原因。

设置了以下属性时，就会触发离屏绘制：

shouldRasterize（光栅化）
masks（遮罩）
shadows（阴影）
edge antialiasing（抗锯齿）
group opacity（不透明）
复杂形状设置圆角等
渐变

屏幕渲染类型

CPU计算好显示内容提交到GPU，GPU渲染完成后将渲染结果放入帧缓冲区，随后视频控制器会按照 VSync信号逐行读取帧缓冲区的数据，经过可能的数模转换传递给显示器显示。

屏幕渲染有如下三种：

GPU中的屏幕渲染：

1、On-Screen Rendering

意为当前屏幕渲染，指的是GPU的渲染操作是在当前用于显示的屏幕缓冲区中进行

2、Off-Screen Rendering

意为离屏渲染，指的是GPU在当前屏幕缓冲区以外新开辟一个缓冲区进行渲染操作

3、CPU中的离屏渲染（特殊离屏渲染，即不在GPU中的渲染）

如果我们重写了drawRect方法，并且使用任何Core Graphics的技术进行了绘制操作，就涉及到了CPU渲染

CoreGraphic通常是线程安全的，所以可以进行异步绘制，显示的时候再放回主线程

切圆角优化

切圆角是开发app过程中经常会用到的功能，但是使用不同的方式，性能损耗也会不同，下面会介绍3种切圆角的方法；其中，方法三的性能相对最好。

方法一

使用cornerRadius进行切圆角，在iOS9之前会产生离屏渲染，比较消耗性能，而之后系统做了优化，则不会产生离屏渲染，但是操作最简单

iv.layer.cornerRadius = 30;

iv.layer.masksToBounds = YES;

方法二

利用mask设置圆角，利用的是UIBezierPath和CAShapeLayer来完成

CAShapeLayer *mask1 = [[CAShapeLayer alloc] init];

mask1.opacity = 0.5;

mask1.path = [UIBezierPath bezierPathWithOvalInRect:iv.bounds].CGPath;

iv.layer.mask = mask1;

方法三

利用CoreGraphics画一个圆形上下文，然后把图片绘制上去，得到一个圆形的图片，达到切圆角的目的。

- (UIImage *)drawCircleImage:(UIImage*)image

{

    CGFloat side = MIN(image.size.width, image.size.height);

    UIGraphicsBeginImageContextWithOptions(CGSizeMake(side, side), false, [UIScreen mainScreen].scale);

    CGContextAddPath(UIGraphicsGetCurrentContext(), [UIBezierPath bezierPathWithOvalInRect:CGRectMake(0, 0, side, side)].CGPath);

    CGContextClip(UIGraphicsGetCurrentContext());

    CGFloat marginX = -(image.size.width - side) * 0.5;

    CGFloat marginY = -(image.size.height - side) * 0.5;

    [image drawInRect:CGRectMake(marginX, marginY, image.size.width, image.size.height)];

    CGContextDrawPath(UIGraphicsGetCurrentContext(), kCGPathFillStroke);

    UIImage *newImage = UIGraphicsGetImageFromCurrentImageContext();

    UIGraphicsEndImageContext();

    return newImage;

}

Instruments使用

iOS的性能调试有许多方法，而官方提供的Instruments是一个强大的性能调试工具，可以分析如下功能：内存、核心动画、自动化、布局、网络等等，本文主要介绍一下利用Core Animation来分析应用的性能问题。

下面介绍一下Core Animation中的Debug属性的部分功能，这些功能在分析离屏渲染等性能问题时十分有用：

Color Blended Layers

这个选项基于渲染程度对屏幕中的混合区域进行绿到红的高亮（也就是多个半透明图层的叠加）。由于重绘的原因，混合对GPU性能会有影响，同时也是滑动或者动画帧率下降的罪魁祸首之一

Color Hits Green and Misses Red

当设置shouldRasterizep属性为YES的时候，耗时的图层绘制会被缓存，然后当做一个简单的扁平图片呈现。当缓存再生的时候这个选项就用红色对栅格化图层进行了高亮。如果缓存频繁再生的话，就意味着栅格化可能会有负面的性能影响了

Color Offscreen-Rendered Yellow

开启后会把那些需要离屏渲染的图层高亮成黄色，这就意味着黄色图层可能存在性能问题

当然Debug还有其它的选项，来分析不同的性能问题，如有需求，请参考其它资料。

iOS离屏渲染的性能分析到此结束，文中如有不足之处，欢迎指出，共同进步。(文中部分图片来自互联网，版权归原作者所有)

参考资料

iOS 离屏渲染的研究

iOS离屏渲染优化（附DEMO）

iOS图片设置圆角性能优化

iOS --- UIView与CALayer的联系与区别

iOS开发之图形渲染分析、离屏渲染、当前屏幕渲染、On-Screen Rendering、Off-Screen Rendering

iOS-Core-Animation之十二----性能调优

The Relationship Between Layers and Views